（物理化學專業(yè)論文）生物分子體系中電子轉移動力學理論研究.pdf

四川大學博士學位論文 生物/ 幾 弋 系中電子轉移二 學理論研究 物理化學 研究生劉繼鳳指月教師李象遠教授 本文共分為兩人都分:第一部分是電子轉移理論綜述，在這一部分中，作 者綜述了二十世紀五十年代發(fā)展起來的電子轉移桂 基礎和理論模型，并根據 m a r c u s的非絕熱電子轉移速率常數計算 i 經典公 式討論了影響電 子轉移速率 常數的因 素及其計算方法: 在第二 部分， 作者在a b i n i t i o 從頭算方法水平上， 對 一些生物分子 模型休系中的分子間 絕熱電.、 r - 內非絕熱電子轉 移 反應以 及分子秀 導電 子轉移反 應的 機理進行丁) i - e a i ， 。 . 并計算了體系中 電子轉移反應迷率常數。 第二章中， 設計了 a - 碳中心自 由 基小分、 1 4 2 n c h - c h o ) 被o z 氧化的 模 型反應。應用外電場誘導方法獲得一組電荷定域的分子軌道，用電荷定域的軌 道再誘導計算獲得反應體系的雙勢阱曲線。理論計算表明極性溶劑效應對電荷 分離的電 子轉移過程 有很大的 推動 作用: ( 1 ) 極性溶劑 波動推動電子轉移過渡 態(tài)在產物平衡態(tài)附 近發(fā)生，水溶液中r , = 1 . 0 1 ; ( 2 )在水溶液中， 反應體系的 活化能 壘大大降 低， 僅為氣 相的一 半左右; ( 3 ) 水溶液中的反應熱降低至氣相 的一半。 根據氧化還原反應中心之間的 距離大小及電子轉移偶合矩陣 元的大 小 判斷出反應是絕熱電子轉移過程， 用 ma r c u s 的絕熱電子轉移理論模型計算得電 子轉移速率常數為7 .0 8 7 x 1 0 1 2 m i . s 1 。理論 研究表明電 子轉移反應非常緩慢， 在熱力學條件下，該電子轉移反應發(fā)生的可能性非常小。 在第三章中，作者考慮溶劑效 應和不同的去 質子化機理， 研究了 色氨酸與 酪氨酸間的三 種非絕熱電子轉移反 應機制。( 1 ) 電子轉移給受體的孤立體系之 間的相互作用理論 研究表明無論在 氣相還是 在水溶液中， 未去質子的 正離子自 由 基體系電子 轉移反 應的活 化能壘 很高，反 應很難發(fā)生;( 2 ) 雙去質子的負 離 子自由基體系電子轉移反應的活化能壘較低，反應的過渡態(tài)在反應物平衡態(tài)附 四川大學博士學位論文 近，是放熱反應，在氣相和水次液中都能夠自發(fā)的發(fā)生;( 3 )第三種電子轉移 機制， 0 3 1 噪正離子部分世.不 子 化后形成中 性自 由基， 然后經過 質子轉移/ 電 子轉 移或電 子轉移/ 質子轉移的兩 步過程生成產物， 理論計算表明在水溶 液中 先發(fā)生 質子轉移，而后發(fā)生電子轉稱的反應路徑占優(yōu)勢。對三種機理的理論研究探明 了不同去質子化機理對電于s : 的控制作用，并闡明了溶劑效應引起多步反應 機制和雙去質子化反應機制的合理性。( 4 )計算了亞甲基鏈作為叫a rn 和苯酚之 間的橋體的體系亞甲基數目從 2 到 5 的體系的電子轉移偶合矩陣元，考察了電 子轉移偶合矩陣元與電子轉移給受體的中心之間的距離之間的關系，發(fā)現兩者 之間存在指數衰減關系， 根據擬合指數曲 線求的的p 值比實 驗預測的 值大。( 5 ) lq i *和苯酚之間的氫鍵相互作用的研究表明叫噪環(huán)上的 n - h 鍵在被氧化劑氧化 之后， 在極性溶劑的影響下，很容易去 質子化。去 質子化后形成的 絡合物體系 較穩(wěn)定，驅動整體反應向前進行。理論研究解釋了實驗上為什么氧化劑更容易 氧化a pi i a m 基團成為正離子，以及接下來發(fā)生電子轉移反應的驅動力問題。( 6 ) 對色氨酞酪氨酸二膚體系的 橋體構象對電子轉移動力學的影響的理論研究表 明，不同的橋體構象體系的反應熱、內重組能以及電子偶合矩陣元均有較大差 別，橋體構象的 變化將影響電子 轉移的 動力學因素， 進而影響電 子轉移速率。 第四章中， 作者嘗試用h f 和全活化空間自 恰場 ( c a s s c f ) 方法考察色氨 酸 和 d n a 堿基與4 - 硝基 哇琳- 1 - 氧 化物 ( 4 n q 0 ) 之間的 相互作用以 及它們之間的 光誘導電子轉移過程， 以期從理論上幫助理解 4 n q 0的致癌性。這些體系的理論 研究就作者所知極少。理論計算研究表明 ( 1 )色氨酸以及嘿吟堿與 4 n q 0之間 存在兩種氫鍵相互作用， 一種質子受體是 4 n q 0 分子中的雜環(huán) n - 0 基， 另一種質 子受體是 4 n q 0 分子中的硝基，色氨酸或嚓吟堿分子提供 n - 1 l 鍵作為質子給體。 ( 2 ) 色氨酸與 4 陰0 形成的最穩(wěn)定氫鍵絡合物體系的 c a s s c f 計算表明， 該體系 的 第一、二單重激發(fā)態(tài)以 及第一激發(fā)三重態(tài)都是電 荷分離態(tài)，說明 在適當的 光 照射條件下，該體系可以發(fā)生直接光誘導電子轉移反應。該體系的最低三重態(tài) 是 4 n q 0 部分的局域激發(fā)態(tài)。( 3 )鳥嗓吟和 4 n q 0的二 一 二 絡合物體系的 c a s s c f 計 算，考察了取代基對體系第一單重激發(fā)能的影響，發(fā)現取代基分別是氫原子、 甲 基、四 氫吠喃及戊糖基時， 第一單重激發(fā)態(tài)均為電 荷分離態(tài)，體系從基態(tài) 到 第一單重激發(fā)態(tài)的躍遷能依次減小， 該躍 遷能與實驗估計的電子轉移引 起的 光 譜吸收對應的 躍遷能 一 致。理論計算表明4 n q 0 不 僅能與d n a 堿基 有相互 作用， 四川大學博士學位論文 而且與色氨酸之間也有類似的相互作用，因而對理解含有色氨酸的抗癌性蛋白 質結構與功能關系有一定的幫 助。 溶劑效應是電子轉移反應中的重點和難點。第五章中，作者介紹了給本實 驗室近期發(fā) 展起來的非平衡溶劑化及在光譜位移校正方面的新理論和計算模 型， 并對具有溶劑化效應探針之稱的香豆素 1 5 3體系在 4 4中溶液中的光譜數據 進行了 理論擬合。用擬合得到的直線 斜率求出 體系的 溶劑化孔穴 半徑， 新公式 給出3 . 7 - 3 . 9入的半徑， 與用v a n d e r w a a l s 體積計 算的 孔穴半 徑相一致; 而用 l i p p e r t - m a t a g a 公式給出的孔穴 半徑范圍 是 4 . 6 - 4 . 9 入 。 用實 驗數據的 擬合結果 以及與 l i p p e rt - m a t a g a 公式的比較，表明 新的非 平衡溶劑化公式 在預測光譜位 移方面是可靠的。 關 鍵詞:電 子轉移 色氨酸與酪氨酸 速率常 數反 應機理 溶劑 效應 四川大學博士學位論文 t h e o r e t i c a l s t u d y o f t h e d y n a m i c s o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n b i o mo l e c u l a r s y s t e m ma j o r i n p h y s i c a l c h e mi s t r y ph . d. s t u d e n t j i - f e n g l i u s u p e r v i s o r p r o f x i a n g - y u a n l i t h i s w o r k i n c l u d e s f i v e c h a p t e r s . t h e f u n d a m e n t a l s o f e l e c t r o n t r a n s f e r d e v e l o p e d d u r i n g t h e r e c e n t h a l f - c e n t u r y a r e s u m ma r i z e d i n c h a p t e r 1 , a n d t h e f a c t o r s whi c h a f f e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n a r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e c l a s s i c a l ma r c u s s t h e o r y . t h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h e s o f t h e s e f a c t o r s a r e a l s o s h o w n i n c h a p t e r l . i n c h a p t e r 2 t o c h a p t e r 5 , t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n s o m e b i o m o l e c u l a r s y s t e m s a r e t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . a mo n g t h e s e t h e o r e t i c a l s t u d i e s , t h e m e c h a n i s m s o f b o t h a d i a b a t i c a n d n o n a d i a b a t i c t h e r m a l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a s w e l l a s t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s a r e d i s c u s s e d b y i n v e s t i g a t i n g t h e e n e r g y r e l a t i o n s h i p , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n r e a c t i o n m o l e c u l e s , a n d t h e r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t . t h e m e c h a n i s m o f t h e o x i d a t i o n o f c c - c a r b o n - c e n t e r e d r a d i c a l b y o z h a s b e e n t h e o r e t i c a l l y p r e s e n t e d i n c h a p t e r 2 . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e p o l a r s o l v e n t e f f e c t m a k e s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y b a r r i e r l o w e r r e m a r k a b l y , a n d t h e r e a c t i o n h e a t o f t h e e n d o t h e r m a l r e a c t i o n i n a q u e o u s s o l u t i o n b e c o m e s n e a r l y h a l f o f t h a t i n t h e g a s p h a s e . t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e o x i d a t i o n o f a .- c a r b o n - c e n t e r e d a m i n o r a d i c a l h a s b e e n f o u n d t o b e d i ff i c u l t t o o c c u r i n t h e g a s p h a s e , h o w e v e r t h e p o l a r s o l v e n t fl u c t u a t i o n w i l l p r o p e l t h e r e a c t i o n t o o c c u r a t n e a r t h e p r o d u c t s t a t e w i t h a c e rt a i n p r o b a b i l i t y . t h i s e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i s j u d g e d a s a n a d i a b a t i c o n e a c c o r d i n t i n g t o t h e v a l u e s o f t h e e l e c t r o n i c c o u p l i n g ma t r i x e l e me n t , a n d t h e r e a c t i o n r a te c o n s ta n t h a s b e e n c a lc u la te d to b e 7 . 1 x 1 0 m - .s 1 in a q u e o u s s o l u t io n u s in g t h e ma r c u s a d i a b a t i c e l e c t r o n t r a n s f e r t h e o r y . t h e t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w s t h a t t h i s 四川大學博士學位論文 mo d e l e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n o c c u r t h e r m o d y n a m i c a l l y i n p o l a r s o l v e n t , b u t t h e r a t e i s p r e d i c t e d v e ry s l o w . i n t r a m o l e c u l a r a n d i n t e r m o l e c u l a r e le c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s i n p o l y p e p t i d e i n v o l v i n g t y r o s i n e a n d t r y p t o p h a n h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d a n d p r e s e n t e d i n c h a p t e r 3 . t h r e e d i ff e r e n t m e c h a n i s m s a n d t h e s o l v e n t e ff e c t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n b e t w e e n i n d o l mo i e t y a n d p h e n o l m o i e t y o f t h e mo d e l s y s t e m c o r r e s p o n d i n g t o t h e d i p e p t i d e o f t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e h a v e b e e n s t u d i e d b y e n e r g y c a l c u l a t i o n s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t : ( 1 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n c a n h a r d l y o c c u r i n g a s - p h a s e ; ( 2 ) t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n t h e d o u b l y d e p r o t o n a t e d r a d i c a l a n i o n s y s t e m c a n o c c u r s p o n t a n e o u s l y w i t h t h e t r a n s i t i o n s t a t e b e i n g n e a r t h e r e a c t i o n s t a t e i n s o l u t i o n , a n d t h i s r e a c t i o n i s e x o t h e r m i c ; ( 3 ) t h e t h i r d m e c h a n i s m f o u n d i s t h e mu l t i - s t e p o n e . t h e th e o r e t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a c t i o n p a t h w a y i n w h i c h p r o t o n t r a n s f e r r e a c t io n o c c u r s f i r s t , a n d t h e n e l e c t r o n t r a n s f e r o c c u r s i s p r e d o m i n a n t i n a q u e o u s s o l u t i o n . o n t h e o t h e r h a n d , t h e s t u d y o f c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t o f e l e c t r o n t r a n s f e r i n m o d e l s y s t e m s i n h - ( c h 2 ) p h o h ( n = 2 - 5 ) s h o w s t h a t t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e m e n t ( v , ) d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h i n c r e a s i n g c e n t r a l s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f t h e e l e c t r o n d o n o r a n d a c c e p t o r . t h e c o n f o r m a t i o n a l e ff e c t o f t h e d i p e p t i d e t r p h - t y r o h h a s b e e n a l s o in v e s t i g a t e d i n t h i s c h a p t e r . t h e t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s r e v e a l t h a t t h e s e p a r a t i o n d i s t a n c e o f d o n o r a n d a c c e p t o r i s d i f f e r e n t i n d i f f e r e n t c o n f o r ma t i o n s , s o a s t o a ff e c t t h e m a g n i t u d e o f t h e c o u p l i n g m a t r i x e l e me n t , a n d t h e s l i g h t l y c h a n g e o f t h e b r i d g e w i l l a l s o a ff e c t t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n i n d ip e p t i d e . i n c h a p t e r 4 , t h e t h e p h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t i o n s b e t w e e n t r y p t o p h a n a n d 4 - n i t r o q u i n o l i n e 小o x i d e ( 4 n q o ) , a n d t h a t b e t w e e n t h e p u r i n e b a s e s o f d n a a n d 4 n q o h a v e b e e n t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d u s i n g h a r t r e e - f o r k ( h f ) a n d t h e c o m p l e t e a c t i v e s p a c e s c f ( c a s s c f ) m e t h o d , i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e c a r c i n o g e n i c i t y o f 4 n q o . t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l s t u d y s h o w t h a t ( 1 ) t w o k i n d s o f h y d r o g e n - b o n d i n g in t e r a c t i o n e x i s t i n t h e c o m p l e x e s c o m p o s e d o f 4 n q o a n d t ryp t o p h a n o r p u r i n e b a s e s , o n e i s s t r o n g a n d t h e o t h e r i s w e a k ; ( 2 ) t h e f i r s t a n d t h e s e c o n d s i n g l e t e x c i t e d s t a t e s a n d t h e f i r s t t r i p le t e x c i t e d s t a t e o f t h e m o s t s t a b l e 四川大學博士 學位論文 h y d r o g e n - b o n d i n g c o m p l e x o f t r y p t o p h a n a n d 4 n q o a r e c h a r g e s e p a r a t e d , w h i c h i m p l i e s t h a t l i g h t e x c i t a t i o n c a n l e a d t o d i r e c t e l e c t r o n t r a n s f e r p r o c e s s i n t h i s s y s t e m . t h e lo w e s t t r i p l e t s t a t e o f t h i s s y s t e m i s a l o c a l e x c i t e d s t a t e ; ( 3 ) t h e h y d r o g e n - , m e t h y l - , t e t r a h y d r o f u r a n - , a n d p e n t o s - s u b s t i t u t i o n e ff e c t s a t n 9 p o s i t i o n o f g u a n i n e mo i e t y i n t h e n - 7 r s t a c k i n g c o mp l e x o f g u a n in e a n d 4 n q o h a v e b e e n s t u d i e d . t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f c a s s c f s h o w t h a t t h e f i r s t e x c i t e d s i n g l e t s t a t e ( s , ) o f t h e f o u r c o m p l e x e s i s c h a r g e s e p a r a t e d , a n d t h e t r a n s i t i o n e n e r g y f r o m t h e g r o u n d s t a t e t o s , d e c r e a s e s a s t h e s u b s t i t u t e v a r i e s f r o m h y d r o g e n t o p e n t o s e . t h e c a l c u l a t e d t r a n s i t i o n e n e r g y o f s , i s i n a g r e e m e n t w i t h t h a t o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s . s o l v e n t e ff e c t p l a y s i m p o rt a n t r o l e i n e l e c t r o n t r a n s f e r r e a c t io n s . i n c h a p t e r 5 , a n e w t h e o r e t i c a l f o r m o f t h e s o l v a t i o n c o r r e c t f o r m u l a t i o n f o r t h e s p e c t r a l s h i ft i n s o l v e n t s h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . t h e n e w f o rmu l a t i o n s o f s p e c t r a l s h i ft s h a v e b e e n u s e d t o p r e d i c t t h e s p e c t r a l s h i ft o f c o u m a r i n 1 5 3 t h e o r e t i c a l l y . u s i n g t h e n e w f o r m u l a t i o n s a n d f it t i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e r a d i i o f s a l v a t i o n c a v i t y o f c o u m a r i n 1 5 3 i s f o u n d t o b e i n t h e r a n g e o f 3 .7 - 3 . 9 .4 , w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e r a d i i o b t a i n e d f r o m t h e v a n d e r w a a l s v o l u m e o f c o u m a r i n 1 5 3 . t h i s s t u d y s h o w s t h a t t h e n e w n o n - e q u i l i b r i u m s o l v a t i o n f o r m u l a t i o n e s t a b l i s h e d i n o u r r e s e a r c h g r o u p i s v a l i d a n d r e l i a b l e . k e y w o r d s : e le c t r o n t r a n s f e r , t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e , r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t r e a c t i o n m e c h a n i s m, s o l v e n t e ff e c t 四川大 學博士 學位論 文 綜 述 電 子轉移過程是均相體系最基本的化學行為，普遍存在于自 然界的 各個領 域之中，如金屬離子的氧化還原反應、自由基親核取代反應、以及光合作用和 呼吸等生命過程d l 。電 子轉移涉及化學、 物理、生 命科學、材料科學及微電 子 學等多 學科，是最基本的 微觀化學過程，其 研究具有重要的理論意義和廣泛的 應用前景。這種過程的研究在化學、物理、生物、生命、材料及微電子學科中 都具有非常重要的意義，研究電子轉移動力學的影響因素在有機反應、催化機 理、材料及功能分子的改性、藥理 研究及藥 物設計等領域均有重要的理論和實 際意義 ! 4 。 近幾年來， 電 子轉移問 題的研究主要有四個領域: 理論 研究、 無 機 體系、有機體系和生物體系，以電子轉移為特征的一些相關過程的研究以及如 伺對此類過程實施人工控制己成為當前國際上的焦點課題，是化學研究的前沿 課題之一 1, 3 -5 1 。 有關電 子轉移反應的理論及實驗研究自2 0 世紀5 0 年代以 來， 在ma r c u s 提出電 子轉移的基本 理論 6 1 之 后， 成為自 然 科學中十分活躍的研究 領 域。尤其是近幾年來隨著實 驗檢測技術水平的 提高以 及計算機的飛速發(fā)展，對 電子轉移反應的理論和實驗研究越來越成為世界上科研工作者感興趣的研究課 題之一，僅 2 0 0 1 - 2 0 0 4 年期間 s c i 收錄的包含 “ e l e c t r o n t r a n s f e r 這一關鍵詞的 文章就多達九千七百多篇，其中有關生物體系中電子轉移的研究約占2 0 %。電 子轉移現行的研究手段主要有兩種，實驗方面利用磁共振技術、激光閃光光解 技術、電子束脈沖技術、離子強度檢測技術、瞬態(tài)吸收光譜檢測技術以及化學 誘導動態(tài)核極化技術等實 驗手段進行電 子轉移的 動力學和機理的 研究;理論 方 面則建立和利用各種動力學模型， 進行理論計算和模擬預測。 隨著計 算機技術 的 飛 速發(fā)展，各種動力學模型的建立，電子轉移反應的理論研究已取得與實驗 研究同等重要的地位。 用各種方法探討電子轉移機制以及各種外部條件對電子轉移反應過程的影 響等方面的研究，自四十年代后期起一直是國際上極為活躍的課題，但很多工 作尚處于探索性階段。 m a r c u s 在電 子轉 移速率 研究方面做出了 突出貢獻1 6 - 1 1 1 他提出的經典和半經典電子 轉移動 力學 模型 奠定了電子轉移反應理論的基礎， 把過渡態(tài)理論應用于電子轉移反應過程中，解釋了放熱反應體系電子轉移速率 隨自由能差的 絕對值增加而 減小的反 轉現象，并 應用連續(xù)介質極化經典模型解 決了溶劑重組能的計算問題，這些先驅工作為電子轉移問題研究創(chuàng)造了奠基性 四川大學博士學位論文 條件，是實驗工作者廣泛采用的定量動力學模型。電子轉移問題的實驗研究已 取得了 很大進展 1 2 - 1 4 1 ， 分 子量 較小的 體系的理論計 算也取得了比 較精確的 結果， 近年來的電 子轉移理論研究體現出 如下趨勢 1 i - 1 9 1 :從無機分子向有 機和生 物大 分子延伸， 從簡單分子軌道的 定性解釋向較高精度的定量結果延伸， 從絕熱過 程向非絕熱過程延伸，從常規(guī)行為向光、電等外場效應延伸。 生命科學成為二十一世紀的兩大支柱學科之一。隨著化學及相鄰學科朝著 定量化、推理化、微觀化的方向發(fā)展，現代生物學的發(fā)展己從傳統(tǒng)生物學的生 物圈、生態(tài)、組織細胞等的研究層次深入到量子生物學的分子、亞分子、電子 結構的層次。生命現象的分子基礎和微觀機制的研究已成為一個非常活躍和具 有挑戰(zhàn)性的研究領域。 這一領域的 研究 采用生 物、 物理、 數學、 化學和計 算機 科學等多學科交叉融合的手段，以及實驗研究和理論研究相結合的方法，其中 對復雜生物大分子體系及其相互作用進行理論計算及計算機模擬占有重要的地 位，它對于在分子、亞分子和電子結構的層次上了解許多生命現象的本質與規(guī) 律具有重要意義，在某些方面己 成為實 驗難以 替代的 手段。 生物體內 的各種 氧 化還原反應都可歸結到電子從一個分子到另一個分子或從一個大分子的一部分 到另一部分的轉移過程。生物體系中的電子傳遞是重要的生物過程，在現代生 物化學和分子生物學中， 電子轉 移現象由 于在生物過程中的 重要意義而引 起了 越來越高 度的重視。發(fā)生在生 物體系大 分子中的 很多 過程， 例如光合作用、呼 吸作用、細胞老化、化學致癌、氧化磷酸化等都涉及到在反應過程中起主要作 用的 長程電 子轉移過程2 0 -2 9 1 。生 物體系中電 子轉移的 研究開 始于對自 然光合 作 用過程中電子轉移方面的研究。自 然界生物體系中電子轉移的典型例子是光合 反 應中 心的電 子轉 移3 0 1 ， 電子在 光合反 應中 心穿越光合膜而實現電 荷分離是 整 個光合作用過程的基本步驟，考察光誘導條件下電子在給體、受體間傳遞的動 力學行為以及蛋白質、多膚等生物分子體系中的長程電子轉移機理，有助于進 一 步探明葉 綠體光合作用和蛋白 質中的 長程電 子轉移機制。 人們在自 然光合作 用中電 子轉移研究 上的杰出 工作 激發(fā)了 科學家們對電 子給受體模型分子以 及 修 飾的 蛋白 質體系的 研究。 近年來， 已開展了大量的蛋白 質類分子、 膚鏈類分子、 及 d n a等分子內 長程電子 轉移過程的 研究工作 3 1 - 3 3 1 。 在生物分子電 子轉移的 實驗研究方面，為便于模擬體系的合成和電子轉移動力學過程的物理控制，已 設計了如給體一 受體模型化合物內的電子轉移， 氧化還原型蛋白質內、 氧化還原 四川大學博十學位論文 型蛋白 質一 蛋白質復合物間的電 子轉移等類型的實驗， 多采用脈沖 輻解、 激光閃 光光解、離子輻射、化學誘導核極化 3 4 ,3 5 等手段測定電 子轉移速率常數， 探討 了生物分子體系電子給體和受體種類、生物分子鏈長度、反應溫度、溶劑等因 素對電子轉移反應活性的影響，進而用合適的動力學模型擬合電子轉移的動力 學參 數 2 2 -2 5 3 6 -0 7 1 。 在 實 驗 研 究 方 面 ， p rll tz 和f a ra g g i 等是 多 膚 體系 電 子 轉 移 動 力學和機理研究的 先驅, s i m i c , b o b r o w s k i 等在多 膚和蛋白質體系的電子 轉移實 驗研究 七 也做出了很大的貢獻。對多膚、蛋白質等生物分子體系中的電子轉移 動力學研究而言， 實驗研究可能丟失一些重 要的 微觀結構信息。理論 研究從生 物分子的結構和構象出發(fā)，用計算化學方法，利用不同等級的電子結構計算， 可獲得相關的電子轉移動力學參數，通過計算還可直接獲得反應過渡態(tài)等微觀 結構信息。從理論方面對多膚體系電子轉移進行更細致的研究，從另一個角度 對生命現象作出 合理的 解釋具有重大的 意義。隨著計算機技術的進步和計算化 學、計算機模擬等科學的 發(fā)展， 近幾年來生物分子電 子轉移動力學計算已 是一 個非常熱門的研究課題，并己取得重大進展，這對于探討某些生命或某些生理 機制具有重要的意義。 考慮非絕熱效應時的 ma r c u s 半經典模型是處理生物大分 子中長程電子轉移過程的常用理論模型，以ma r c u s , b e r a t a n , n e w t o n , o n u c h i c 等為代表的 課題組在蛋白 質及生物大分子的電 子轉移理論研究方面開展了 杰出 的研究工作 3 , 4 , 1 1 , 1 6 , 0 .4 8 - 3 1 。 多膚和蛋白 質體系電 子轉移反應的 速率常數的 理論計 算一般根據 m a r c u s 的理論。影響電子轉移速率常數的關鍵因子是 ( i )給體和 受體之間的電子禍合項 ( 2 )產物和反應物間的自由能差 ( 3 )重組能，包括給 體和受體分子內重 組能及 溶劑重 組能。電 子轉移速率和這些量之間 的關系是大 量實驗和理論 研究的目 標， 其中溶劑重組 能更是研究的 焦點。 m a r c u : 的電 子轉 移理論模型在所考察的體系滿足 b o r n - o p p e n h e i m e r 近似的情況下適用， 但是在 低溫、核的運動對電子的運動有很大影響的情況下，這一理論便出現很大的偏 差。 j o r t n e r lsi, d o g o n a d z 擴 9 于 二 十 世 紀 七 十 年 代引 入 量子 效 應 對電 子 轉 移 速率 的 影響因素， 對m a r c u s 的電子轉移理論公 式加以 修正， m e d e v e d e v , e u n j o o l e e 等 i. s ; 發(fā)展并 應用量子效應與 經典電子轉 移相結合的 理論公 式， 在m a r c u s 反轉 區(qū)取得了與經典電子轉移理論不同的結果。由于實際電子轉移反應過程的復雜 性和理論模型及計算能力的限 制， 生物分子內的電 子轉移動力學理論研究 進展 還比較緩慢。 生物分子體系電 子轉移理論 研究存在兩個基本問題，一是生物體 四川大學博士學位論文 系大分子的 計算量問題，隨著計 算機技 術的 快速發(fā)展， 這 一 問題的 解決已 在一 定程度上取得進展，日 前已能結 合人工智能 等方法在不考慮溶劑效 應的 情況下 在 一 定精度水平上實現蛋白質中電子轉移矩陣元等動力學參數的計算。二是電 子轉移體系與環(huán)境之間復雜的相互作用問題，尤其是電子轉移溶劑重組能的計 算，是近年來理論研究的重點之一，但目前仍是理論研究的一個薄弱環(huán)節(jié)。隨 著計算機技術的快速發(fā)展，應用量子化學的從頭算及半經驗算法得到較以往更 精確的結果，為電子轉移理論研究提供了重要途徑。但是對于原子數目較多的 生物分子體系，由于分子量的增大而限制了其計算方法及計算結果的精確性， 其計算仍采用半經驗計算方法，或在分子力學或量子力學的水平上進行動力學 模擬， 或者只是采取 ma r c u s 理論模型的基礎上來擬合實驗數據進行一些簡單的 探 討 56 j 在 2 0種天然氨基酸中，由于酪氨酸與色氨酸兩種氨基酸含有剛性的芳香 環(huán)側鏈以及芳香環(huán)上的o - h鍵、 n - h鍵的存在， 使其具有固有的極性、 憎水性 等多種特性 5 7 ,5 8 另外， 己 經發(fā) 現生 物體中 許多蛋白 質和氧化還原酶中 含有色 氨酸和 / 或酪氨酸殘基， 并且它們在其中擔任著重要的 角色 3 8 , 5 9 - 6 4 。 因 而， 其廣 泛的分子間或分子內的各種相互作用以及其作用的微觀機制成為近三十多年 來比較熱門的 研究課題。 自 二 十世紀八十年代初期p r u t z 3 6 -3 8 等人首 先較系統(tǒng)地 研究了含有色氨酸和酪氨酸的膚鏈體系和蛋白質體系中的電子轉移以來， 關于 這方面的 研究工作正日 益引 起人們廣泛的注意。 在膚鏈中的長 程電 子轉移的研 究 方面 ， p r u tz 3 6 -3s , f a r a g g i22 ,2 4 ,2 5,4 1 等 用 脈 沖 輻 解方 法誘 發(fā) 膚 鏈中 的 電 子 轉 移 ， 并用吸收光譜跟蹤該反應， 研究了 色氨酸、 酪 氨酸 之間的電 子轉 移反應動力學， 考察了環(huán)境的影響因素， 推測出色氨酸與酪 氨酸之間電轉轉移的 可能 機理。 p r u t z等通過實驗研究 表明 色氨酸和酪氨酸之間的電子轉移既可以 通過分子內 過程實現，也可以通過分子間的過程實現。 對于分子內電子轉移過程可能是通 過芳香基團之間的直接電子隧穿實現的， 而不可能通過氫鍵或膚鏈的電荷傳導 實 現， 或 者 說 前 者占 主 導 地 位。 f a r a g g i 等 在其1 9 8 9 年的 文 章 2 5 中 論 證了 下 面 兩種機理是不可能的。 1 ) h o 一 t y r 一 x 一 t r p 華ra一 。 一 t 二 一 x 一 t rp + h t y r。 一 x 一 t rp + h ( v ) 。 一 t y r 一 x 一 t rp h 刁 縣 2 ) t y r o h一 x一 t r p + h ( - ) t y r o h一 x一 t r p h 四川大學博士學位論文 t y ro h 一 x 一 t rp h ( f t y r。 一 x 一 t rp h + h 并指出剩下可能的簡單的機理是: ( 1 )電 子轉移為控速步驟， 隨后發(fā)生強酸性 自 由基t y r o h 的快速去質子化過程和強堿性自 由基t r p 一 的快速質子化過程; ( 2 ) 一種質子化/ 去質子化以及電子轉移同